레스스모크 Less Smoke
글.사진_박용성 고문
나뭇가지 등으로 장작불을 만들고 모닥불을 만들어 불멍을 즐기기도 한다. 그럴 때 따뜻한 온기는 물론 아름다운 불꽃과 함께 장작이 타는 소리마저 즐기곤 한다.
출처 https://www.earthturfwood.com
다만, “연기는 왜 나만 좇아오지”라고 말하는 이가 있을 정도로 모닥불의 연기는 아무래도 반갑지 않다. 연기를 아주 없앨 수는 없지만 줄일 수 있는 방법은 있다. 적게 나는 연기라고 레스스모크라고 부른다.
나뭇가지와 같은 목재를 장작으로 태울 때 발생하는 연기의 메카니즘과 이를 줄이는 방법, 특히 이중연소 (double combustion)를 포함하여 과학적으로 설명해 본다.
연기는 목재가 연소하는 과정에서 불완전 연소(incomplete combustion)로 인해 발생하는 고체 입자, 액체 방울, 기체의 혼합물이다. 목재의 연소 과정은 다음과 같은 단계로 나누어 볼 수 있다.
목재는 주로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌, 그리고 소량의 휘발성 유기화합물(VOCs), 수분, 미네랄로 구성되어 있는데 이 성분들은 연소 시 서로 다른 반응을 일으킨다. 불을 붙이면 목재가 먼저 가열되면서 수분이 증발되며 이 과정에서 약간의 수증기가 발생할 수 있다.
온도가 200~300℃에 도달하면 목재가 분해되어 휘발성 가스(예: 메탄, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 휘발성 유기화합물) 와 타르(tar) 같은 액체 성분이 방출되며 이 휘발성 가스는 연소 가능한 주요 성분이다. 휘발성 가스가 산소와 결합하여 불꽃을 생성하며 연소하는데 이 과정에서 충분한 산소와 높은 온도가 제공되지 않으면 불완전 연소가 발생한다.
산소 부족, 낮은 온도, 또는 짧은 체류 시간으로 인해 휘발성 가스가 완전히 연소하지 못하면 미연소 입자 (그을음,재), 일산화탄소(CO), 휘발성 유기화합물, 다환방향족탄화수소(PAHs) 등이 연기로 배출된다.
출처 https://fixthisbuildthat.com
연기는 그을음(탄소 입자), 재등의 고체 입자 그리고 타르, 기름 성분 등의 액체방울, 마지막으로 일산화탄소(CO), 이
산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 질소산화물 (NOx), 휘발성 유기화합물(VOCs)등의 기체로 구성된다.
불완전 연소가 연기의 주된 원인으로, 이는 산소 공급 부족, 낮은 연소 온도, 또는 습한 장작 사용 등으로 발생한다.
이중연소는 연소 과정에서 휘발성 가스를 완전히 태우기 위해 추가적인 연소 단계를 도입하는 기술이다. 이는 연기와 유해 배출물을 줄이고 에너지 효율을 높이는 데 효과적이다. 목재는 타면서 휘발성 가스와 고체 탄소(숯)를 생성하는데. 이 과정에서 불완전 연소로 인해 연기가 발생할 수 있다.
1차 연소에서 배출된 휘발성 가스를 고온(약 600~1000°C)에서 추가 산소와 혼합하여 완전히 연소시키면 이 과정에서 연기 성분(그을음, CO, VOCs)이 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 변환된다. 단, 이는 다음의 조건이 만족되어야 한다.
⦁ 고온 : 휘발성 가스가 완전히 연소하려면 600°C 이상의 온도가 필요하다.
⦁ 충분한 산소 : 2차 연소 구역에 산소를 공급하여 연소를 촉진한다.
⦁ 체류 시간 : 가스가 연소 구역에 충분히 머물러야 완전 연소가 가능하다.
이중연소는 불완전 연소로 인한 그을음과 유해 가스를 줄여 연기 배출 감소시키고, 휘발성 가스의 연소로 추가 열을 생성하여 에너지 효율 증가를 가져오며, CO, NOx, PAHs와 같은 유해 물질 배출 감소시킨다.
연기를 줄이고 이중연소를 효과적으로 구현하기 위해서는 우선 수분 함량이 20% 이하인 잘 건조된 장작을 사용한다. 습한 장작은 열분해 시 더 많은 연기를 생성하기 때문이다.
장작은 너무 크거나 작지 않게 잘라 사용해야 공기 흐름과 연소가 균일해진다. 참나무, 느티나무 같은 단단한 활엽수는 소나무 같은 침엽수보다 수지 함량이 낮아 연기가 적은 점도 참고 한다.
연소 환경 최적화에도 신경을 기울여 화로에 공기 유입구를 적절히 조절하여 산소가 충분히 공급되도록 하여 불완전 연소를 유발하는 산소 부족이 없도록 한다. 단열재나 내화 벽돌을 사용하여 화로 내부 온도를 높게 유지하여 휘발성 가스가 완전히 연소하도록 한다. 공기의 흐름을 관리하는데,1차 및 2차 공기 공급을 분리하여 1차 연소는 고체 목재를, 2차 연소는 휘발성 가스를 태우도록 설계한다.
이중연소(double combustion)는 1차 연소에서 발생한 휘발성 가스를 2차 연소 구역에서 고온과 추가 산소로 완전히 태우는 과정이다. 이를 Firepit에서 구현하려면 다음 요소가 필요하다.
⦁ 1차 연소 구역 : 장작이 타면서 휘발성 가스와 고체 탄소(숯)를 생성.
⦁ 2차 연소 구역 : 휘발성 가스가 고온(600~1000°C)에서 산소와 혼합되어 완전 연소.
⦁ 핵심 조건
- 고온 유지: 단열재 또는 열 반사 구조.
- 산소 공급: 1차 및 2차 공기 유입구 설계.
- 가스 흐름 제어: 휘발성 가스가 2차 연소 구역에 충분히 머물도록 설계.
Firepit에서 이중연소를 구현하려면 기존의 단순한 화로 구조를 개선해야 한다. 아래는 이중연소 Firepit의 설계와 주요 구성 요소이다.
⦁ 1차 공기 유입구 : 화로 하단에 위치하여 장작 아래로 공기를 공급, 장작의 초기 연소를 촉진.
⦁ 그릴 / 받침대 : 장작을 바닥에서 띄워 공기가 아래에서 위로 흐르게 함.
⦁ 1차 연소 구역 : 장작이 타면서 휘발성 가스와 고체 탄소를 생성.
⦁ 2차 공기 유입구 : 화로 상단에 작은 구멍 또는 슬릿 형태로 배치. 예열된 공기가 유입되어 휘발성 가스와 혼합.
⦁ 2차 연소 구역 : 휘발성 가스가 고온에서 2차 공기와 반응하여 추가 불꽃을 생성, 연기를 줄임.
실제 구현의 방법으로는, 벽돌로 테두리를 만들고 약간의 틈을 두고 그 안에 상부에 공기 구멍이 뚫린 Fire Ring이라는 철제 구획물을 삽입하여 구성해 보는 것도 간단하면서도 완성도가 있는 구성이 가능할 것이다.
출처 https://www.inoblock.co.kr/goods
파이어링은 제작도 가능하겠지만 Fire Ring Insert라는 검색어로 여러 판매 사이트에서 찾아 볼 수 있다.
오늘의 내용을 요약해 본다.
Less smoke firepit(저연기 화로)를 만들기 위해서는 연기가 생기는 과학적 원리를 이해하고, 이를 줄이 기 위한 이중연소(double combustion)기술 등을 활용한다.
연기가 생기는 이유
1. 산소 부족
- 불완전연소 → 이산화탄소 대신 일산화탄소/그을음/타르 발생
2. 온도 부족
- 연소에 충분한 열이 없으면 휘발성 가스가 연소되지 못하고 연기로 배출됨
3. 기류 문제
- 불안정한 공기 흐름은 불완전 연소를 유발
연기를 줄이는 화로를 위한 기술적 해결책
핵심 기술 이중연소 (Secondary Combustion)
원리
1. 나무가 연소될 때 1차로 불꽃이 일어남
2. 동시에 많은 양의 휘발성 가스(VOCs)와 미연소 입자가 위로 방출됨
3. 이때 화로 상단에 예열된 공기(2차 공기)를 유입
4. 휘발성 가스가 다시 한 번 연소되면서 연기를 태워버림 → 거의 무연 상태
이중연소를 위한 구조적 포인트
1. Double wall system (이중벽 설계)
- 외벽과 내벽 사이에 공기 통로 확보
- 하단에서 들어온 공기가 이 통로를 타고 올라가며 예열됨
- 상단 구멍을 통해 이 예열공기가 내부로 분사됨
2. Secondary air injection holes
- 상단 벽 내부에 작은 구멍(6~8mm) 여러 개
- 예열된 공기가 휘발성 가스를 재연소 시킴.
추가적인 저연기 팁
- 건조된 장작 사용 (수분 20% 이하)
- 점화 시에는 작은 불씨부터 천천히 시작
- 연소 중 장작을 자주 흔들거나 쌓지 않기 (기류 방해됨)
- 화로 내부에 재가 너무 쌓이지 않도록 주기적 청소
* 월간빌더 카페 등에 업로드 되는 기사는 과월호 기사입니다.
** 최신 소식을 빠르게 받아보시고 싶다면 정기구독을 추천 드립니다.
시공 · 설계 · 자재 · 건축주를 위한 커뮤니티 매거진, 월간빌더
